Potencijal ultrabrze forme transmisione elektronske mikroskopije za merenje zvučnih talasa u nanostrukturama demonstrirala su tri RIKEN fizičara. Ovo bi moglo pomoći u realizaciji metode snimanja slike visoke rezolucije koja koristi ultravisoke zvučne talase za snimanje struktura koje su veličine nanometara.
Ultrazvuk se rutinski koristi u klinikama i bolnicama za snimanje unutrašnjih organa i beba u materici. Zvučni talasi koji se koriste su obično nekoliko milimetara talasne dužine, i tako mogu da slikaju strukture do tog nivoa.
Iako je takva rezolucija dobra za medicinsko snimanje, fizičari bi želeli da koriste zvučne talase za snimanje struktura u materijalima veličine nekoliko nanometara.
„Ako možemo da koristimo zvučne talase koji imaju talasne dužine od oko 100 nanometara, možemo ih koristiti za inspekciju materijala, kao što je pronalaženje defekata“, objašnjava Asuka Nakamura iz RIKEN Centra za nauku o hitnim materijama (CEMS). „Ali osetljivost na male defekte zaista zavisi od talasne dužine.“
Ovo zahteva generisanje i detekciju zvučnih talasa koji imaju mnogo manje talasne dužine (a samim tim i veće frekvencije). Stvaranje takvih visokofrekventnih zvučnih talasa je relativno lako — ultrakratki laserski impulsi se koriste za njihovo generisanje u metalima i poluprovodnicima već nekoliko decenija. Ali njihovo otkrivanje je mnogo izazovnije jer zahteva razvoj detektora koji mogu da postignu rezoluciju od nanometara u prostoru i pikosekundi u vremenu.
Sada je Nakamura, zajedno sa kolegama iz CEM-a Takahiro Shimojima i Kioko Ishizaka, demonstrirao potencijal posebnog tipa elektronskog mikroskopa za snimanje takvih ultravisokih zvučnih talasa. Istraživanje je objavljeno u časopisu Nano Letters.
Konkretno, koristili su ultrabrzi transmisioni elektronski mikroskop (UTEM) da detektuju zvučne talase koje generiše rupa od 200 nanometara u centru ultra tanke silikonske ploče. UTEM koristi dva laserska zraka sa malim kašnjenjem između njih (vidi sliku iznad). Jedan snop osvetljava uzorak, dok drugi generiše ultrakratki impuls elektrona u mikroskopu. Ovo podešavanje omogućava rešavanje veoma kratkih vremenskih rokova.
Kada je trio teoretski simulirao talase i uporedio simulacije sa eksperimentalno dobijenim slikama, našli su dobro slaganje.
Kvalitet slika je premašio očekivanja tima, što im je omogućilo da izvrše analizu Furijeove transformacije – uobičajenu matematičku analitičku tehniku – na slikama. „Pre izvođenja ovih eksperimenata, nismo nameravali da karakterišemo zvučne talase“, kaže Nakamura. „Ali nakon što smo uzeli podatke, primetili smo da su veoma lepi i mogli smo da primenimo Furijeovu transformaciju. To je bilo iznenađujuće za mene.“
Istraživači sada nameravaju da istraže ultrabrzu strukturnu i magnetnu dinamiku u čvrstim materijama izazvanim takvim nanometričnim zvučnim talasima koristeći UTEM.
